ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం

ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం గురించిన వ్యాసం

సహజంగా జరిగే ప్రక్రియలన్నీ ఒకే దిశలో జరుగుతాయి కానీ వ్యతిరేక దిశలో జరగలేవు, వీటిని సాధారణంగా కోలుకోలేని ప్రక్రియలు (ఇర్రివర్సిబుల్ ప్రాసెసెస్) అంటారు. ఒక మామిడి పండు కాండం నుండి విడిపోయి నేలపై స్వేచ్ఛగా పడిన తర్వాత , అది మళ్లీ పైకి కదలదు. మనం నెట్టి ఆపిన పుస్తకం ఎప్పుడూ మన వైపుకు తిరిగి రాదు. మనం అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువును (వేడి వస్తువును) తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువుతో (చల్లని వస్తువుతో) తాకితే, వేడి సహజంగా అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువు నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువుకు ప్రవహిస్తుంది. వేడి సహజంగా చల్లని వస్తువు నుండి వేడి వస్తువుకు ప్రవహించే వ్యతిరేక ప్రక్రియను మనం ఎప్పుడూ చూడము. ఒకవేళ ఈ ప్రక్రియ జరిగితే, చల్లని వస్తువు మరింత చల్లగా, వేడి వస్తువు మరింత వేడిగా మారుతుంది. కానీ వాస్తవానికి, అది అలా ఉండదు. ఒకదానికొకటి భిన్నంగా కనిపించే అనేక కోలుకోలేని ప్రక్రియలు ఉన్నాయి, కానీ వాటన్నింటిలోనూ శక్తి రూపంలో మార్పులు మరియు ఒక వస్తువు నుండి మరొక వస్తువుకు శక్తి బదిలీ ఉంటాయి.

ఉదాహరణకు, ఒక శక్తివంతమైన భూకంపం సంభవించి భవనాలు కూలిపోతాయి (భూకంప తరంగాల ద్వారా ప్రసరించే శక్తి కారణంగా భవనాలు కూలిపోతాయి). కూలిపోయిన భవనంలోని ప్రతి భాగం తిరిగి కలిసిపోయి, మునుపటిలా నిటారుగా నిలబడటం మీరు ఎప్పుడైనా చూశారా? లేదా, ఉదాహరణకు, ఒక గ్లాసు నేల మీద పడి పగిలిపోతుంది... నేల మీద చెల్లాచెదురుగా పడి ఉన్న గాజు ముక్కలు తిరిగి కలిసిపోయి, మునుపటిలాగే ఒకే గ్లాసుగా ఏర్పడటం మీరు ఎప్పుడైనా చూశారా? ఎప్పుడూ జరగలేదు... ఇలాంటి ఉదాహరణలు ఇంకా చాలా ఉన్నాయి.

ఒకే దిశలో మాత్రమే జరిగే ఉష్ణగతిక ప్రక్రియలను (తిరిగి మార్చలేని ప్రక్రియలు) వివరించడానికి, శాస్త్రవేత్తలు ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమాన్ని రూపొందించారు. ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం విశ్వంలో ఏ ప్రక్రియలు జరగగలవో మరియు ఏ ప్రక్రియలు జరగలేవో వివరిస్తుంది. ఆర్.జె.ఇ. క్లాసియస్ (1822–1888) అనే శాస్త్రవేత్త ఈ క్రింది ప్రకటన చేశారు:

ఉష్ణం అధిక ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువు నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువుకు దానంతట అదే ప్రయాణిస్తుంది; ఉష్ణం తక్కువ ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువు నుండి అధిక ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువుకు దానంతట అదే ప్రయాణించదు (ఉష్ణగతిక శాస్త్ర రెండవ నియమం – క్లాసియస్ ప్రకటన).

క్లాసియస్ ప్రకటన అనేది ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమానికి సంబంధించిన ఒక ప్రత్యేక ప్రకటన. దీనిని ప్రత్యేక ప్రకటన అని అంటారు, ఎందుకంటే ఇది కేవలం ఒక ప్రక్రియకు, అంటే ఉష్ణ బదిలీకి మాత్రమే వర్తిస్తుంది. ఈ ప్రకటన ఇతర ప్రక్రియలకు సంబంధం లేనందున, మనకు మరింత సాధారణ ప్రకటన అవసరం. ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం యొక్క సాధారణ ప్రకటన అభివృద్ధి పాక్షికంగా ఉష్ణ యంత్రాల అధ్యయనంపై ఆధారపడింది. అందువల్ల, మనం మొదట ఉష్ణ యంత్రాల గురించి చర్చిద్దాం.

హీట్ ఇంజిన్

మనం ఉపయోగించే శక్తిలో అధిక భాగం పెట్రోలియం, గ్యాస్ మరియు బొగ్గులో నిక్షిప్తమై ఉన్న రసాయన స్థితిశక్తి నుండి వస్తుంది. పెట్రోలియం, గ్యాస్ లేదా బొగ్గులో ఉన్న రసాయన స్థితిశక్తిని నేరుగా ఉపయోగించలేము. పెట్రోలియం, గ్యాస్ లేదా బొగ్గును ముందుగా మండించాలి. సాధారణంగా, శిలాజ ఇంధనాలను (పెట్రోలియం, గ్యాస్ మరియు బొగ్గు) మండించడం వల్ల వేడి ఉత్పత్తి అవుతుంది. ఆహారాన్ని వండడానికి మరియు గదిని వేడి చేయడానికి వేడిని నేరుగా ఉపయోగించవచ్చు. ఏదైనా వస్తువును కదిలించడానికి (ఉదాహరణకు, ఒక వాహనాన్ని కదిలించడానికి), మనం వేడిని గతిశక్తిగా లేదా యాంత్రిక శక్తిగా మార్చాలి (యాంత్రిక శక్తి = స్థితిశక్తి + గతిశక్తి). యాంత్రిక శక్తిని వేడిగా మార్చడం చాలా సులభమైన పని, కానీ వేడిని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చడం కష్టం. మీ అరచేతులను ఒకదానికొకటి రుద్ది చూడండి... మీ అరచేతులు వేడిగా ఉంటాయి, కదూ? మనం మన అరచేతులను ఒకదానికొకటి రుద్దుకున్నప్పుడు (మనం పని చేస్తాము), యాంత్రిక శక్తి వేడిగా మారుతుంది. ఈ ప్రక్రియ చాలా సులభం... పని చేయడం ద్వారా అనంతమైన వేడిని కూడా ఉత్పత్తి చేయవచ్చు. కానీ దీనికి విరుద్ధమైన ప్రక్రియ, అంటే వేడిని ఉపయోగించి పని చేయడం కష్టం.

ఉష్ణాన్ని ఉపయోగించి పని చేసే పరికరాన్ని 1700లో మాత్రమే కనుగొన్నారు. ఆ పరికరమే ఆవిరి యంత్రం. ఆవిరి యంత్రాలను మొదట బొగ్గు గనుల నుండి నీటిని తోడటానికి ఉపయోగించారు. ఉష్ణోగ్రతా వ్యత్యాసాల కారణంగా బదిలీ అయ్యే శక్తియే ఉష్ణం అని శాస్త్రవేత్తలకు తెలియకముందే ఆవిరి యంత్రాలను మొదటిసారిగా ఉపయోగించారనే విషయం గమనించడం ముఖ్యం (అప్పటికి ఉష్ణగతిక శాస్త్ర మొదటి నియమం ఇంకా రూపొందించబడలేదు).

ఆ కాలంలో ఆవిరి యంత్రాల వాడకం, ఆవిరి వస్తువులను కదిలించగలదని చూపించే రోజువారీ అనుభవంపై ఆధారపడి ఉండే అవకాశం ఉంది. ఆవిరి యంత్రాలను ఉష్ణ యంత్రాలుగా పరిగణిస్తారు (ఉష్ణ యంత్రం అంటే ఉష్ణాన్ని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చే పరికరం). ఈ రోజుల్లో, ఆవిరి యంత్రాలను విద్యుత్ శక్తిని ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగిస్తున్నారు. ఆధునిక ఉష్ణ యంత్రాలు అంతర్గత దహన యంత్రాలు (కారు ఇంజన్లు, మోటార్ సైకిల్ ఇంజన్లు మొదలైనవి).

ఉష్ణ యంత్రాన్ని ఉపయోగించడం వెనుక ఉన్న ప్రాథమిక ఆలోచన ఏమిటంటే, ఉష్ణాన్ని అధిక ఉష్ణోగ్రత ప్రాంతం నుండి అల్ప ఉష్ణోగ్రత ప్రాంతానికి ప్రవహించేలా చేస్తేనే అది యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది. ఈ ప్రక్రియలో, కొంత ఉష్ణం యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది (కొంత ఉష్ణం పని చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది), మరికొంత ఉష్ణం అల్ప ఉష్ణోగ్రత ప్రాంతానికి విడుదల చేయబడుతుంది. ఉష్ణ యంత్రంలో శక్తి మార్పిడి మరియు శక్తి బదిలీ ప్రక్రియ పటంలో చూపబడింది.

అధిక ఉష్ణోగ్రత (T_H) మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత (టి_Lదీనిని ఇంజిన్ ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత అని కూడా అంటారు. అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉన్న ప్రదేశం నుండి ప్రవహించే వేడికి Q గుర్తును ఇస్తారు._H, అయితే తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న ప్రదేశానికి విడుదలయ్యే ఉష్ణానికి Q అనే గుర్తును ఇస్తారు_L. అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉన్న ప్రదేశం నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న ప్రదేశానికి ప్రవహించేటప్పుడు, కొంత Q_H యాంత్రిక శక్తిగా (పని చేయడానికి ఉపయోగపడేది) మార్చబడిన దానిలో కొంత భాగం Q రూపంలో విడుదల అవుతుంది._Lనిజానికి మేమంతా నిజంగా ఆశిస్తున్నాము_H W లోకి మార్చవచ్చు, కానీ రోజువారీ అనుభవం ఇది అసాధ్యమని చూపిస్తుంది. ఎల్లప్పుడూ కొంత ఉష్ణం నష్టపోతుంది. అందువల్ల, శక్తి నిత్యత్వ నియమం ఆధారంగా, Q అని నిర్ధారించవచ్చు._H = W + Q_L.

ఇప్పుడు ఉష్ణాన్ని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చడానికి సాధారణంగా ఉపయోగించే ఒక ఉష్ణ యంత్రాన్ని సమీక్షిద్దాం. మనం నిరంతరంగా పనిచేసే ఉష్ణ యంత్రాలను మాత్రమే పరిగణిస్తున్నామని గమనించడం ముఖ్యం. పని నిరంతరంగా జరగాలంటే, ఉష్ణం అధిక-ఉష్ణోగ్రత ప్రాంతం నుండి తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత ప్రాంతానికి నిరంతరంగా ప్రవహించాలి. ఒకవేళ ఉష్ణం ఒక్కసారి మాత్రమే ప్రవహిస్తే, ఉష్ణ యంత్రం చేసే పని కూడా ఒక్కసారి మాత్రమే జరుగుతుంది (ఉత్పత్తి అయ్యే యాంత్రిక శక్తి చాలా తక్కువగా ఉంటుంది). అందువల్ల, ఉష్ణ యంత్రాన్ని గరిష్టంగా ఉపయోగించుకోలేము. ఒక ఉష్ణ యంత్రం నిరంతరంగా పని చేస్తే దానిని గరిష్టంగా ఉపయోగించుకోవచ్చు. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ఉష్ణ యంత్రం ఉత్పత్తి చేసే యాంత్రిక శక్తి ఏదైనా వస్తువును కదిలించడానికి సరిపోతుంది.

ఆవిరి యంత్రం

ఆవిరి యంత్రాలు నీటి ఆవిరిని ఉష్ణ బదిలీ మాధ్యమంగా ఉపయోగిస్తాయి. ఆవిరిని ఆవిరి యంత్రం యొక్క పని చేసే పదార్థంగా సూచిస్తారు. ఆవిరి యంత్రాలు రెండు రకాలు: రెసిప్రొకేటింగ్ ఆవిరి యంత్రాలు మరియు టర్బైన్ ఆవిరి యంత్రాలు (ఆవిరి టర్బైన్లు). వాటి రూపకల్పనలు కొద్దిగా భిన్నంగా ఉన్నప్పటికీ, ఈ రెండు రకాలలోనూ సారూప్యతలు ఉన్నాయి: అవి చమురు, గ్యాస్, బొగ్గు లేదా అణుశక్తిని మండించడం ద్వారా వేడి చేసిన ఆవిరిని ఉపయోగిస్తాయి.

రెసిప్రొకేటింగ్ రకం ఆవిరి ఇంజిన్

ఒక పాత్రలోని నీటిని సాధారణంగా అధిక పీడనంతో వేడి చేస్తారు. అధిక పీడనంతో వేడి చేయడం వల్ల, మరుగు ప్రక్రియ అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద జరుగుతుంది. ఉష్ణోగ్రత పీడనానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, బాష్ప పీడనం అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఈ అధిక ఉష్ణోగ్రత లేదా అధిక పీడనం గల ఆవిరి ఇన్లెట్ వాల్వ్ గుండా ప్రవేశించి పిస్టన్‌కు వ్యతిరేకంగా వ్యాకోచిస్తుంది. అది వ్యాకోచిస్తున్నప్పుడు, ఆవిరి పిస్టన్‌ను నెట్టి, దానిని కుడి వైపుకు కదిలేలా చేస్తుంది.

ఆవిరిలోని కొంత వేడి గతిజ శక్తిగా మారుతుంది. పిస్టన్ కుడివైపుకు కదిలినప్పుడు, పిస్టన్‌కు అనుసంధానించబడిన చక్రం తిరుగుతుంది (1). సగం భ్రమణం తర్వాత, చక్రం పిస్టన్‌ను దాని అసలు స్థానానికి తిరిగి నెడుతుంది (2). పిస్టన్ ఎడమవైపుకు కదిలినప్పుడు, ఇన్లెట్ వాల్వ్ దానంతట అదే మూసుకుపోతుంది, అదే సమయంలో ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ దానంతట అదే తెరుచుకుంటుంది. ఆవిరి కండెన్సర్ ద్వారా ద్రవీకరించబడి, మంచు బిందువులుగా మారుతుంది. తరువాత, కండెన్సర్‌లోని నీరు తిరిగి మరిగించడానికి పాత్రలోకి పంపబడుతుంది. ఈ విధంగా కొనసాగుతుంది… ఈ ప్రక్రియ పదేపదే జరుగుతుంది కాబట్టి, పిస్టన్ నిరంతరం కుడికి, ఎడమకు కదులుతుంది. పిస్టన్ నిరంతరం కుడికి, ఎడమకు కదులుతుంది కాబట్టి, చక్రం కూడా నిరంతరం తిరుగుతుంది. చక్రం యొక్క భ్రమణం సాధారణంగా ఏదైనా వస్తువును కదిలించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది.

ఆవిరి టర్బైన్

ఆవిరి టర్బైన్ యొక్క పని సూత్రం ప్రాథమికంగా రెసిప్రొకేటింగ్ ఆవిరి ఇంజిన్ మాదిరిగానే ఉంటుంది. తేడా ఏమిటంటే, రెసిప్రొకేటింగ్ ఆవిరి ఇంజిన్ పిస్టన్‌ను ఉపయోగిస్తుంది, అయితే ఆవిరి టర్బైన్ టర్బైన్‌ను ఉపయోగిస్తుంది. రెసిప్రొకేటింగ్ ఆవిరి ఇంజిన్‌లో, ఉష్ణం మొదట పిస్టన్ యొక్క అనువాద గతి శక్తిగా మార్చబడుతుంది. ఆ తర్వాత, పిస్టన్ యొక్క అనువాద గతి శక్తి, తిరిగే చక్రం యొక్క భ్రమణ గతి శక్తిగా మార్చబడుతుంది. ఆవిరి టర్బైన్‌లో, ఉష్ణం నేరుగా టర్బైన్ యొక్క భ్రమణ గతి శక్తిగా మార్చబడుతుంది. పీడన వ్యత్యాసం కారణంగా టర్బైన్ తిరగగలదు. బ్లేడ్ పైన ఉన్న ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత, బ్లేడ్ కింద ఉన్న ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. బ్లేడ్ అనేది టర్బైన్ మధ్యలో ఉన్న ఒక పలుచని పలక. ఉష్ణోగ్రత పీడనానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. బ్లేడ్ పైన ఉన్న ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత, బ్లేడ్ కింద ఉన్న ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువగా ఉన్నందున, బ్లేడ్ కింద ఉన్న పీడనం కంటే బ్లేడ్ పైన ఆవిరి పీడనం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఈ పీడన వ్యత్యాసం ఆవిరిని బ్లేడ్‌ను క్రిందికి నెట్టేలా చేస్తుంది, దీనివల్ల టర్బైన్ తిరుగుతుంది. టర్బైన్ భ్రమణ దిశ పటంలో చూపబడింది.

ఆవిరి యంత్రం యొక్క పని సూత్రం పైన వివరించిన శక్తి బదిలీ రేఖాచిత్రంపై ఆధారపడి ఉంటుందని గమనించడం ముఖ్యం. ఈ సందర్భంలో, అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువు లేదా ప్రదేశం నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువు లేదా ప్రదేశానికి ఉష్ణం ప్రవహించేలా చేయడం ద్వారా యాంత్రిక శక్తిని ఉత్పత్తి చేయవచ్చు. అందువల్ల, ఆవిరి యంత్రంలో ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసం చాలా అవసరం.

ఒక రెసిప్రొకేటింగ్ స్టీమ్ ఇంజిన్ ఎలా పనిచేస్తుందో మీరు గమనిస్తే, ఉష్ణోగ్రతలో తేడా లేకపోయినా (కండెన్సర్ లేదా పంప్ లేకపోయినా) పిస్టన్ ఎడమ, కుడి వైపులకు కదలగలదని మీరు గమనిస్తారు. అధిక ఉష్ణోగ్రత లేదా అధిక పీడనం గల ఆవిరి వ్యాకోచం కారణంగా పిస్టన్ కుడి వైపుకు కదలగలదు. ఈ సందర్భంలో, ఆవిరిలోని కొంత ఉష్ణం పిస్టన్ యొక్క స్థానాంతర గతిజ శక్తిగా మారుతుంది. పిస్టన్ యొక్క ఈ స్థానాంతర గతిజ శక్తి, ఆ తర్వాత తిరుగుతున్న చక్రం యొక్క భ్రమణ గతిజ శక్తిగా మారుతుంది. సగం భ్రమణం పూర్తి చేసిన తర్వాత, చక్రం పిస్టన్‌ను తిరిగి ఎడమ వైపుకు నెడుతుంది. చక్రం పిస్టన్‌ను తిరిగి ఎడమ వైపుకు నెట్టినప్పుడు, చక్రం యొక్క భ్రమణ గతిజ శక్తి మళ్ళీ పిస్టన్ యొక్క స్థానాంతర గతిజ శక్తిగా మారుతుంది. పిస్టన్ ఎడమ వైపుకు కదులుతున్నప్పుడు, అది సిలిండర్‌లోని ఆవిరిని బయటకు నెడుతుంది. అదే సమయంలో, ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ తెరుచుకుంటుంది.

ఈ విధంగా, పిస్టన్ ద్వారా నెట్టబడిన ఆవిరి, ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ కింద ఉన్న ఆవిరిని నెడుతుంది. ఇప్పుడు, ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ కింద ఉన్న ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత, పిస్టన్ ద్వారా నెట్టబడిన ఆవిరి ఉష్ణోగ్రతకు సమానంగా ఉంటే, అప్పుడు పిస్టన్ యొక్క స్థానాంతర గతి శక్తి మొత్తం తిరిగి ఆవిరి యొక్క అంతర్గత శక్తిగా మార్చబడుతుంది. అంతర్గత శక్తి ఉష్ణోగ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఆవిరి యొక్క అంతర్గత శక్తి పెరిగితే, ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. ఉష్ణోగ్రత పీడనానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఆవిరి ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే, ఆవిరి పీడనం కూడా పెరుగుతుంది. అందువల్ల, ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ ద్వారా విడుదలయ్యే ఆవిరి పీడనం, ఇన్లెట్ వాల్వ్ ద్వారా ప్రవేశించే ఆవిరి పీడనానికి సమానంగా ఉంటుంది. పిస్టన్ నిరంతరం కుడి, ఎడమలకు కదులుతూనే ఉంటుంది, కానీ వినియోగించుకోగల మొత్తం గతి శక్తి ఏదీ ఉండదు (మొత్తం పని ఏదీ జరగదు). కాబట్టి వ్యాకోచ ప్రక్రియలో (పిస్టన్ కుడివైపుకు కదలడం) పిస్టన్ పొందిన గతి శక్తి, సంపీడన ప్రక్రియలో (పిస్టన్ ఎడమవైపుకు కదలడం) ఆవిరికి తిరిగి ఇవ్వబడుతుంది.

ఆవిరి యంత్రంలో ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసం ఇప్పటికీ అవసరమని నిర్ధారించబడింది. ఆవిరి యంత్రంలో ఈ ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసాన్ని కండెన్సర్‌ను ఉపయోగించడం ద్వారా సాధించవచ్చు. ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ కింద ఉన్న ఆవిరి యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం, సిలిండర్‌లోని ఆవిరి యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం కంటే చాలా తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, పిస్టన్ ఎడమవైపుకు తిరిగినప్పుడు, పిస్టన్ ఆవిరిపై ప్రయోగించే పీడనం, పిస్టన్ కుడివైపుకు కదిలినప్పుడు ఆవిరి పిస్టన్‌పై ప్రయోగించే పీడనం కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, పిస్టన్ ఆవిరిపై చేసే పని, ఆవిరి పిస్టన్‌పై చేసే పని కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. కాబట్టి పిస్టన్ యొక్క గతిశక్తిలో ఒక చిన్న భాగం మాత్రమే ఆవిరికి తిరిగి ఇవ్వబడుతుంది. ఈ విధంగా, మొత్తం గతిశక్తి లేదా మొత్తం పని ఉత్పత్తి అవుతుంది. ఈ మొత్తం గతిశక్తి ఏదైనా వస్తువును కదిలించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది.

అంతర్గత దహన యంత్రం

మోటార్ సైకిల్ మరియు కార్ ఇంజన్లు అంతర్గత దహన ఇంజన్లకు ఉదాహరణలు. దహన ప్రక్రియ ఒక మూసి ఉన్న సిలిండర్ లోపల జరుగుతుంది కాబట్టి వాటిని అంతర్గత దహన ఇంజన్లు అని పిలుస్తారు. ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క మొదటి నియమంలో వివరించబడిన అడియాబాటిక్ సంపీడనం మరియు వ్యాకోచం అనే భావనను ఇంజనీరింగ్ పద్ధతిలో రూపొందించడం వలన అంతర్గత దహన ఇంజన్లు ఏర్పడ్డాయి.

మనం ఇంధనంగా గ్యాసోలిన్ మరియు డీజిల్‌ను ఉపయోగించే అంతర్గత దహన యంత్రాలను మాత్రమే పరిగణలోకి తీసుకుంటాము. గ్యాసోలిన్ మరియు డీజిల్ పెట్రోలియం ఉత్పత్తులు, అందువల్ల అవి రసాయన స్థితిశక్తిని కలిగి ఉంటాయి. గ్యాసోలిన్ మరియు డీజిల్‌లోని రసాయన స్థితిశక్తి మొదట దహన ప్రక్రియ ద్వారా ఉష్ణంగా మార్చబడుతుంది. దహనం ద్వారా ఉత్పత్తి అయిన ఉష్ణం తరువాత యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది. ఈ యాంత్రిక శక్తే మోటార్ సైకిల్ లేదా కారు కదలడానికి వీలు కల్పిస్తుంది. గ్యాసోలిన్ ఇంజిన్‌లోని చక్రాన్ని ఓటో చక్రం అని, డీజిల్ ఇంజిన్‌లోని చక్రాన్ని డీజిల్ చక్రం అని అంటారు. చక్రం అనేది ఒక తిరోగమన ఉష్ణగతిక ప్రక్రియ. ముందుగా మనం ఓటో చక్రం గురించి చర్చిద్దాం.

ఓట్టో చక్రం

ఇది నాలుగు-స్ట్రోక్ అంతర్గత దహన యంత్రం యొక్క రేఖాచిత్రం. పిస్టన్ క్రిందికి కదులుతున్నప్పుడు (ఇన్‌టేక్ స్ట్రోక్), గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం కార్బ్యురేటర్ నుండి సిలిండర్‌లోకి ప్రవహిస్తుంది. ఆ తర్వాత, పిస్టన్ పైకి కదులుతున్నప్పుడు (కంప్రెషన్ స్ట్రోక్), సిలిండర్‌లోని గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం అడియాబాటిక్‌గా సంపీడనం చెందుతుంది. ఇది అడియాబాటిక్‌గా సంపీడనం చెందడం వల్ల, మిశ్రమం యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం పెరుగుతాయి. అదే సమయంలో, స్పార్క్ ప్లగ్ మిశ్రమాన్ని మండించి, దానిని మండేలా చేస్తుంది. అది మండుతున్నప్పుడు, వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం పెరుగుతాయి. అధిక ఉష్ణోగ్రత, అధిక పీడనం గల వాయువు పిస్టన్‌కు వ్యతిరేకంగా వ్యాకోచించి, దానిని క్రిందికి నెడుతుంది (వ్యాకోచ స్ట్రోక్). ఆ తర్వాత, మండిన వాయువు ఎగ్జాస్ట్ వాల్వ్ ద్వారా విడుదల చేయబడి, ఎగ్జాస్ట్ పైపు వైపు మళ్ళించబడుతుంది (ఎగ్జాస్ట్ స్ట్రోక్). ఇన్‌టేక్ వాల్వ్ మళ్ళీ తెరుచుకుంటుంది, మరియు ఈ నాలుగు స్ట్రోక్‌లు పునరావృతమవుతాయి.

అడియాబాటిక్ కంప్రెషన్ స్ట్రోక్ యొక్క ముఖ్య ఉద్దేశ్యం గాలి-గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనాన్ని పెంచడమేనని గమనించడం ముఖ్యం. అధిక పీడనం వద్ద దహనం జరగడం వల్ల చాలా అధిక ఉష్ణోగ్రతలు మరియు పీడనాలు ఏర్పడతాయి. తత్ఫలితంగా, వ్యాకోచ ప్రక్రియలో ఉత్పన్నమయ్యే థ్రస్ట్ (F = PA) చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. దీని ఫలితంగా మోటార్‌సైకిల్ లేదా కారు ఇంజిన్ మరింత శక్తివంతంగా మారుతుంది. కంప్రెషన్ లేకపోయినా, స్పార్క్ ప్లగ్ స్పార్క్‌ను ఉత్పత్తి చేసినప్పుడు గాలి-గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం మండగలదు. అయితే, దహనం చెందిన వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం అంత ఎక్కువగా ఉండవు, కాబట్టి ఫలితంగా వచ్చే థ్రస్ట్ కూడా తక్కువగా ఉంటుంది. దీని ఫలితంగా, ఇంజిన్ తక్కువ శక్తివంతంగా మారుతుంది.

నాలుగు-స్ట్రోక్ అంతర్గత దహన యంత్రంలో శక్తి పరివర్తన మరియు శక్తి బదిలీ ప్రక్రియను ఈ క్రింది విధంగా వివరించవచ్చు: దహనం సమయంలో, గ్యాసోలిన్‌లోని రసాయన స్థితిశక్తి మరియు గాలిలోని శక్తి ఉష్ణంగా మార్చబడుతుంది. ఈ ఉష్ణంలో కొంత భాగం పిస్టన్ రాడ్ మరియు క్రాంక్‌షాఫ్ట్‌లో యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది, మరికొంత ఎగ్జాస్ట్ పైపు ద్వారా విడుదల అవుతుంది. పిస్టన్ రాడ్ మరియు క్రాంక్‌షాఫ్ట్‌లోని యాంత్రిక శక్తిలో అధిక భాగం వాహనంలో యాంత్రిక శక్తిగా (వాహనాన్ని కదిలించడానికి) మార్చబడుతుంది, అయితే ఒక చిన్న భాగం ఉష్ణంగా మార్చబడుతుంది. ఘర్షణ వలన ఉష్ణం ఉత్పత్తి అవుతుంది.

ఓట్టో చక్రంలోని స్థిరోష్ణ వ్యాకోచ, సంపీడన ప్రక్రియను కింది పటం ద్వారా వివరించవచ్చు. ఈ పటం, గ్యాసోలిన్‌తో నడిచే అంతర్గత దహన యంత్రంలో జరిగే ఉష్ణగతిక ప్రక్రియల యొక్క ఒక ఆదర్శ నమూనాని చూపిస్తుంది.

గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం సిలిండర్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది (a). ఆ తర్వాత గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమాన్ని అడియాబాటిక్‌గా సంపీడనం చేస్తారు (a-b). సిలిండర్ ఘనపరిమాణం తగ్గుతుందని గమనించండి. గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమాన్ని స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద వేడి చేస్తారు – మిశ్రమం దహనం అవుతుంది (b-c). దహనం చేయబడిన వాయువు అడియాబాటిక్ వ్యాకోచానికి గురవుతుంది (c-d). స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద చల్లబరచడం – దహనం చేయబడిన వాయువు ఎగ్జాస్ట్ పైపులోకి విడుదల చేయబడుతుంది మరియు గాలి + గ్యాసోలిన్ ఆవిరి యొక్క కొత్త మిశ్రమం సిలిండర్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది (d-a).

గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం సిలిండర్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది (a). ఆ తర్వాత గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమాన్ని అడియాబాటిక్‌గా సంపీడనం చేస్తారు (a-b). సిలిండర్ ఘనపరిమాణం తగ్గుతుందని గమనించండి. గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమాన్ని స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద వేడి చేస్తారు – మిశ్రమం దహనం అవుతుంది (b-c). దహనం చేయబడిన వాయువు అడియాబాటిక్ వ్యాకోచానికి గురవుతుంది (c-d). స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద చల్లబరచడం – దహనం చేయబడిన వాయువు ఎగ్జాస్ట్ పైపులోకి విడుదల చేయబడుతుంది మరియు గాలి + గ్యాసోలిన్ ఆవిరి యొక్క కొత్త మిశ్రమం సిలిండర్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది (d-a).

డీజిల్ చక్రం

డీజిల్ ఇంజిన్ పనిచేసే సూత్రం గ్యాసోలిన్ ఇంజిన్ మాదిరిగానే ఉంటుంది. తేడా అంతా ప్రారంభ అడియాబాటిక్ కంప్రెషన్ దశలో ఉంటుంది (అడియాబాటిక్ కంప్రెషన్ అంటే, సిస్టమ్‌లోకి లేదా సిస్టమ్ నుండి వేడి ప్రవహించడానికి సమయం లేకుండా చాలా వేగంగా జరిగే కంప్రెషన్. ఈ సందర్భంలో సిస్టమ్ అంటే ఒక సిలిండర్). గ్యాసోలిన్ ఇంజిన్‌లో గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి మిశ్రమం సంపీడనం చెందుతుండగా, డీజిల్ ఇంజిన్‌లో కేవలం గాలి మాత్రమే సంపీడనం చెందుతుంది. అడియాబాటిక్ కంప్రెషన్ వల్ల గాలి యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం పెరుగుతాయి. తరువాత, ఇంజెక్టర్, డీజిల్‌ను స్ప్రే చేస్తుంది. గాలి యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం అప్పటికే చాలా ఎక్కువగా ఉన్నందున, డీజిల్‌ను సిలిండర్‌లోకి స్ప్రే చేసినప్పుడు, అది వెంటనే మండిపోతుంది. స్పార్క్ ప్లగ్ అవసరం లేదు. కింద ఉన్న రేఖాచిత్రంలో చూపిన పీడన విలువను గమనించండి. దానిని ఓటో సైకిల్ రేఖాచిత్రంలో చూపిన పీడన విలువతో పోల్చండి .

ఈ రేఖాచిత్రం ఒక ఆదర్శ డీజిల్ చక్రాన్ని చూపిస్తుంది. ప్రారంభంలో, గాలి అడియాబాటిక్‌గా సంపీడనం చెందుతుంది (a-b), తరువాత స్థిర పీడనం వద్ద వేడి చేయబడుతుంది – ఇంజెక్టర్ డీజిల్‌ను స్ప్రే చేస్తుంది మరియు దహనం జరుగుతుంది (b-c), దహనం చెందిన వాయువు అడియాబాటిక్ వ్యాకోచానికి గురవుతుంది (c-d), స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద చల్లబడుతుంది – దహనం చెందిన వాయువు ఎగ్జాస్ట్ పైపు ద్వారా బయటకు పంపబడుతుంది మరియు స్వచ్ఛమైన గాలి సిలిండర్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది (d-a).

పై వివరణ ఆధారంగా, ప్రతి ఉష్ణ యంత్రానికి ప్రాథమికంగా ఒక నిర్దిష్ట కార్యసాధకం ఉంటుందని నిర్ధారించవచ్చు. ఆవిరి యంత్రానికి కార్యసాధకం నీరు, గ్యాసోలిన్ యంత్రానికి కార్యసాధకం గాలి మరియు గ్యాసోలిన్ ఆవిరి, డీజిల్ యంత్రానికి కార్యసాధకం గాలి మరియు డీజిల్. కార్యసాధకం సాధారణంగా అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉష్ణాన్ని (Q _H ) గ్రహించి, పని (W) చేసి, ఆపై మిగిలిన ఉష్ణాన్ని తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద (Q _L ) విడుదల చేస్తుంది. శక్తి నిత్యత్వ నియమం ప్రకారం, Q _H = W + Q _L అవుతుంది.

ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం

ఒక ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం (e) అనగా, యంత్రం చేసిన పని (W) మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద అందించిన ఉష్ణం (Q _H ) మధ్య గల నిష్పత్తి. గణితశాస్త్రపరంగా దీనిని ఈ విధంగా వ్రాయవచ్చు:

W అనేది మనం పొందే లాభం, అయితే QH _{అనేది} ఇంధనాన్ని కొనుగోలు చేసి మండించడానికి మనం భరించే ఖర్చు. ఎల్లప్పుడూ సాధ్యమైనంత ఎక్కువ లాభాన్ని, సాధ్యమైనంత తక్కువ ఖర్చును పొందాలని కోరుకునే మనుషులుగా, మనం పొందే లాభం (W) మనం భరించే ఖర్చుకు (QH) అనుపాతంలో ఉండాలని మనం నిజంగా ఆశిస్తాము. అది సాధ్యమేనా?

శక్తి నిత్యత్వ నియమం ప్రకారం, ప్రవేశించిన ఉష్ణం (Q _H ) అనేది, చేసిన పని (W) మరియు విడుదలైన ఉష్ణం (Q _L ) ల కు సమానంగా ఉండాలి. గణితపరంగా:

ఒక ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యాన్ని శాతంలో వ్యక్తపరచడానికి, సామర్థ్య సమీకరణాన్ని 100%తో గుణించాలి. పైన ఉన్న సామర్థ్య సమీకరణం ప్రకారం, ఒక ఉష్ణ యంత్రం ద్వారా ఎంత ఎక్కువ ఉష్ణం తిరస్కరించబడుతుందో (Q _{L ), దాని సామర్థ్యం అంత తక్కువగా ఉంటుంది. మనం సాధ్యమైనంత తక్కువ ఉష్ణాన్ని (Q L} ) విడుదల చేయాలని బలంగా కోరుకుంటాము . అయితే, అవసరమైన ఉష్ణాన్ని (Q _H ) సాధారణంగా నూనె, బొగ్గు, గ్యాస్ మొదలైన వాటిని (మనం డబ్బు చెల్లించే ఇంధనాలు) మండించడం ద్వారా పొందుతాము.

అందువల్ల, ప్రతి ఉష్ణ యంత్రం తప్పనిసరిగా సాధ్యమైనంత సమర్థవంతంగా ఉండేలా రూపొందించబడుతుంది. మనం సాధ్యమైనంత తక్కువ ఖర్చుతో సాధ్యమైనంత ఎక్కువ ప్రయోజనాన్ని ఆశించినప్పటికీ, వాస్తవానికి ఆవిరి యంత్రాలు సాధారణంగా 40% మాత్రమే సమర్థవంతంగా ఉంటాయి, అంతర్గత దహన యంత్రాలు సుమారు 50% సమర్థవంతంగా ఉంటాయి. దీని అర్థం, ఇంధనాన్ని మండించడం ద్వారా ఉత్పత్తి అయ్యే ఉష్ణంలో సగం వృధా అవుతుంది. కేవలం సగం మాత్రమే యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది.

ఉదాహరణ ప్రశ్న 1:

ఒక ఉష్ణ యంత్రం 3000 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q _H ) గ్రహించి, పని (W) చేసి, 2500 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q _L ) విడుదల చేస్తుంది. ఆ ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం ఎంత?

చర్చ

ఉదాహరణ ప్రశ్న 2:

ఒక ఉష్ణ యంత్రం 3000 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q _H ) గ్రహించి, పని (W) చేసి, 2000 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q _L ) విడుదల చేస్తుంది. ఆ ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం ఎంత?

చర్చ

ఉదాహరణ ప్రశ్న 3:

ఒక ఉష్ణ యంత్రం 3000 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q _H ) గ్రహించి, పని (W) చేసి, 1500 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q _L ) విడుదల చేస్తుంది. ఆ ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం ఎంత?

చర్చ